Лазерная обработка стекла

Резка, сверление и маркировка стекла и других прозрачных материалов (сапфира, алмаза) традиционными механическими методами такими, как скрайбирование алмазным резцом и раскалывание, затруднена из-за их хрупкости и высокой твердости. Результат обработки имеет существенные недостатки из-за относительно низкого качества реза (микротрещины, сколы) и большого количества брака. Механические методы требуют ряд дополнительных этапов обработки (шлифование, травление), необходимых для устранения повреждений и достижения требуемого допуска. Лазерная обработка позволяет избежать вышеперечисленных дефектов.

• нет необходимости в дальнейшей обработке, такой, как шлифовка или полировка

• отсутствие микротрещин / сколов

• практически полное отсутствие брака

• подходит для чистых помещений

СО₂-лазер

Обычно для резки стекла используется СО₂-лазер, длина волны излучения которого находится в области резонансного поглощения стекла. Резка лазером в данном случае может осуществляться сквозным методом, т. е. путем расплавления материала, скрайбированием (требуется приложение механической силы для разделения по линии надреза лазерным лучом), и термораскалыванием, при котором вслед за лазерным лучом идет струя охлаждающей жидкости или газа, инициирующая раскол из-за термического напряжения. 

СО₂-лазер не подходит для прецизионной резки стекол, т.к. не обеспечивает высокого пространственного разрешения, резку кривых с сильными изгибами, отверстий небольшого диаметра.

Лазеры зеленого и УФ диапазонов излучения

Для прецизионной резки стекол могут быть использованы лазерные источники зеленого и УФ диапазонов. Метод резки - абляционный, он позволяет выполнять сложную контурную резку, однако имеет недостатки в виде микротрещин по краю реза и загрязнение продуктами абляции.

Лазеры ультракоротких импульсов

Наносекундные лазеры применимы для многих задач микрообработкии стекла. Однако некоторые приложения резки сверления и перфорации обладают более высокими требованиями, чем наносекундные лазеры могут достичь. Таким требованиям соответствуют лазеры ультракоротких импульсов. Обработка УКИ характеризуется лучшим пространственным разрешением, контролем глубины и качеством края, меньшей зоной термического влияния. Механизм воздействия УКИ на вещество принципиально отличается от воздействия длинными импульсами: удаление материала преимущественно происходит в результате фотоабляции, в отличие от термической абляции наносекундными импульсами. Энергия лазерного импульса вкладывается быстрее, чем происходит диффузия тепла в периферическую область, вещество быстро испаряется без образования капель расплава, за счет чего получается резкий и ровный край обработки. Фотоабляции осуществляется за счет многофотонного поглощения излучения веществом, а поскольку это нелинейный процесс, то он может быть реализован лазерным излучением ближнего ИК диапазона, для которого стекла прозрачны при нормальных условиях. 

Основное ограничение лазеров ультракоротких импульсов – их высокая стоимость и низкие скорости удаления материала. Вследствие чего УКИ обработка используется для приложений, требующих максимально достижимых показателей точности и качества, например, для обработки тонких стекол, сапфира и алмаза.

Для резки закаленного стекла применяется так называемый филаментационный метод резки, суть которого заключается в фокусировке лазерных импульсов пико- или фемтосекундной длительности в объеме стекла. Происходит образование филамента через всю толщину стекла – канала, состоящего из областей самофокусировки и плазмообразования, образующего тонкую трещину в стекле. Филаментационная резка позволяет выполнять резку с высокой скоростью и качеством края реза за один проход. Данным методом осуществляется изготовление сапфировых стекол для камер мобильных телефонов.

При лазерной маркировке стекла важно, чтобы в процессе не образовывались микротрещины, так как они могут сделать материал более хрупким и подверженным разрушению. Это особенно актуально при обработке изделий из закаленного стекла. Новой техникой в этой области является так называемая «цветная маркировка», когда изображение при определенном угле освещения переливается цветами радуги. Цветная маркировка заключается в абляции нескольких нанометров материала с поверхности стекла или сапфира. Важно сохранить ровный профиль поверхности, избежать появления трещин. Лазеры ультракоротких импульсов зарекомендовали себя более эффективными для этого процесса, чем лазеры с наносекундной длительностью импульсов.

Цветная маркировка стекла лазером УФ диапазона и пикосекундной длительностью импульсов Huaray